基于多微电极阵列的培养神经元网络特性初探

摘要

神经网络功能研究一直是神经科学中的一个重要课题，涉及神经细胞分化、网络结构构建、功能实现等多个层次。由于无损、连续、多位点记录神经元网络活动比较困难，所以对培养神经细胞及网络层次的电生理特性及其功能研究较少。本文利用多电极阵列系统，实现了体外(in vitro)培养海马神经元网络电生理活动的长时间、连续、无损检测，建立了网络发育数据库，研究了神经元网络的发育规律以及GABA(γ-aminobutyric acid，γ-氨基丁酸)能神经元的作用。主要结果如下：
　　 在实验室已有的基础上摸索、改进了神经元培养条件，获得了较为稳定的神经元长时间培养方法(目前连续记录超过7个月)。利用多电极阵列系统无损、连续记录网络的自发放电，建立了基于多电极阵列的神经元网络发育数据库(数据量约1200 G)，为神经生理、数学建模等多领域研究人员提供海量神经元网络实验数据。
　　 连续记录的网络自发放电显示网络活动存在单发锋电位、簇发放电、单发放电和簇发混和模式，以及整个网络同步、局部同步放电、周期性同步振荡放电等多种模式。活动来源于谷氨酸受体介导的钠离子内流，同在体的动作电位的产生机制相同。用高频强直电刺激可诱导出网络响应的长时间增强，显示了网络的可塑性。温度升高过程中网络放电频率增大，时间间隔较大的锋电位的变化较小。
　　 网络整体放电频率从培养第1周到第8周逐渐增加，9周以上基本稳定。对放电模式的分析表明，培养1周内出现自发、低频、不同步的锋电位；4～7周为同步簇发放电，7周出现同步簇发和随机放电混合的复杂模式；9周后为高频随机放电模式。由此推测，高密度培养的神经元网络发育过程可以分为3个阶段，连接建立期、活动协同期和成熟期。
　　 去抑制后网络活动频率、幅度及网络内相互连接明显增强，活动模式变为整个网络同步发放的簇发放电。GABA能神经元在低强度输入的网络编码中作用较小；抑制了网络对高强度输入的编码中部分信息。神经元网络发育成熟期，GABA能神经元的作用明显降低，与谷氨酸受体表达比例的改变有关。